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    陶瓷與金屬焊接技術
    2020-02-27 11:13:58

    陶瓷與金屬焊接技術
    Ti(C,N)基金屬陶瓷是一種顆粒型復合材料,是在TiC基金屬陶瓷的基礎上發展起來的新型金屬陶瓷。Ti(C,N)基金屬陶瓷具有高硬度、耐磨、耐氧化、耐腐蝕等一系列優良綜合性能,在加工中顯示出較高的紅硬性和強度,它在相同硬度時耐磨性高于WC Co硬質合金,而其密度卻只有硬質合金的1/2。因此,Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在許多加工場合下可成功地取代WC基硬質合金而被廣泛用作工具材料,填補了WC基硬質合金和Al2O3陶瓷刀具材料之間的空白。我國金屬鈷資源較為貧乏,而作為一種戰略性貴重金屬,近年來鈷的價格持續上揚,因此,Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具材料的研制開發和廣泛應用,不僅可推動我國硬質合金材料的升級換代,而且在提高國家資源保障程度方面也具有重要的意義。
    我們研制的是添加TiN的Ti(C,N)基金屬陶瓷。由于TiC比WC具有更高的硬度和耐磨性,TiN的加入可起到細化晶粒的作用,故Ti(C,N)基金屬陶瓷可表現出比WC基或TiC基硬質合金更為優越的綜合性能。這種新型金屬陶瓷刀具材料的廣泛應用是以其成功的連接技術為前提的,國內外對陶瓷與金屬的連接開展了不少的研究,但對于金屬陶瓷與金屬連接的技術研究較少,以致于限制了Ti(C,N)基金屬陶瓷材料在工業生產中的廣泛應用。常用的連接陶瓷與金屬的焊接方法有真空電子束焊、激光焊、真空擴散焊和釬焊等。在這些連接方法中,釬焊、擴散焊連接方法比較成熟、應用較廣泛,過渡液相連接等新的連接方法和工藝正在研究開發中。本文在總結各種陶瓷與金屬焊接方法的基礎上,對金屬陶瓷與金屬的焊接技術進行初步探討,在介紹各種適用于金屬陶瓷與金屬焊接技術方法的同時,指出其優缺點和有待研究解決的問題,以期推動金屬陶瓷與金屬焊接技術的研究,進而推廣這種先進工具材料在工業領域的應用。
    Ti(C,N)基金屬陶瓷性能特點及應用現狀
    Ti(C,N)基金屬陶瓷是在TiC基金屬陶瓷基礎上發展起來的一類新型工模具材料。按其組成和性能不同可分為:①成分為TiC Ni Mo的TiC基合金;②添加其它碳化物(如WC、TaC等)和金屬(如Co)的強韌TiC基合金;③添加TiN的TiC TiN(或TiCN)基合金;④以TiN為主要成分的TiN基合金。
    Ti(C,N)基金屬陶瓷的性能特點如下:
    (1)高硬度,一般可達HRA91~93.5,有些可達HRA94~95,即達到非金屬陶瓷刀具硬度水平。
    (2)有很高的耐磨性和理想的抗月牙洼磨損能力,在高速切削鋼料時磨損率極低,其耐磨性可比WC基硬質合金高3~4倍。
    (3)有較高的抗氧化能力,一般硬質合金月牙洼磨損開始產生溫度為850~900℃,而Ti(C,N)基金屬陶瓷為1100~1200℃,高出200~300℃。TiC氧化形成的TiO2有潤滑作用,所以氧化程度較WC基合金低約10%。
    (4)有較高的耐熱性,Ti(C,N)基金屬陶瓷的高溫硬度、高溫強度與高溫耐磨性都比較好,在1100~1300℃高溫下尚能進行切削。一般切削速度可比WC基硬質合金高2~3倍,可達200~400m/min。
    (5)化學穩定好,Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具切削時,在刀具與切屑、工件接觸面上會形成Mo2O3、鎳鉬酸鹽和氧化鈦薄膜,它們都可以作為干潤滑劑來減少摩擦。Ti(C,N)基合金與鋼不易產生粘結,在700~900℃時也未發現粘結情況,即不易產生積屑瘤,加工表面粗糙度值較低。
    Ti(C,N)基金屬陶瓷在具有良好綜合性能的同時還可以節約普通硬質合金所必需的Co、Ta、W等貴重稀有金屬材料。隨著人類節約資源推行"綠色工業"進程的加快,Ti(C,N)基金屬陶瓷必會成為一種大有前途的工具材料。目前,Ti(C,N)基金屬陶瓷材料得到世界各國尤其是日本的廣泛深入研究,一些國家已在積極應用和推廣這種刀具材料,世界各主要硬質合金生產廠家都推出了商品牌號的含氮金屬陶瓷。如日本三菱綜合材料公司開發的NX2525牌號超細微粒金屬陶瓷的硬度達到92.2HRA,抗彎強度達2.0GPa,兼具高硬度和高韌性。我國在"八五"期間也成功研制出多種牌號的Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具,并批量上市,現已發展成為獨立系列的一類刀具材料。
    金屬陶瓷與金屬焊接的技術方法
    在工業加工生產中,切削加工刀具的刀片與刀桿的連接方式有兩種:焊接式和機夾式。刀具的刀片和刀桿連接的好壞直接影響刀具的使用壽命。宋立秋等通過實驗研究表明:選用焊接式連接刀片和刀桿時,刀具耐用度高;選用機夾式時,刀具耐用度低。由于Ti(C,N)基金屬陶瓷屬于脆性材料,熔點比金屬高,其線膨脹系數與金屬相差較大,使得Ti(C,N)基金屬陶瓷刀片與刀桿焊后接頭中的殘余應力很高,加之與金屬的相容性較差,使得金屬陶瓷與金屬的焊接性較差,一般焊接方法和工藝很難獲得滿意的焊接接頭,目前,采用釬焊和擴散焊對金屬陶瓷與金屬進行連接已獲得成功。隨著研究的不斷深入,又出現了許多新方法及工藝,以下在介紹各種適用于金屬陶瓷與金屬焊接技術方法的同時,指出其優缺點和研究方向。
    1 熔化焊
    熔化焊是應用最廣泛的焊接方法,該方法利用一定的熱源,使連接部位局部熔化成液體,然后再冷卻結晶成一體。焊接熱源有電弧、激光束和電子束等。目前Ti(C,N)基金屬陶瓷熔化焊主要存在以下兩個問題有待解決:一是隨著熔化溫度的升高,流動性降低,有可能促進基體和增強相之間化學反應(界面反應)的發生,降低了焊接接頭的強度;另一問題是缺乏專門研制的金屬陶瓷熔化焊填充材料。
    1) 電弧焊
    電弧焊是熔化焊中目前應用最廣泛的一種焊接方法。其優點是應用靈活、方便、適用性強,而且設備簡單。但該方法對陶瓷與金屬進行焊接時極易引起基體和增強相之間的化學反應(界面反應)。由于Ti(C,N)基金屬陶瓷具有導電性,可以直接焊接,對Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬電弧焊的試驗研究表明是可行的,但需要解決諸如界面反應、焊接缺陷(裂紋等)和焊接接頭強度低等問題。
    2) 激光焊
    激光焊是特殊及難焊材料焊接的一種重要焊接方法。由于激光束的能量密度大,因此激光焊具有熔深大、熔寬小、焊接熱影響區小、降低焊件焊接后的殘余應力和變形小的特點,能夠制造高溫下穩定的連接接頭,可以對產品的焊接質量進行精確控制。激光焊接技術已經成功應用于真空中燒結的粉末冶金材料。據報道,Mittweida激光應用中心開發了一種雙激光束焊接方法。它用兩束激光工作,一束激光承擔工件的預熱,另一束激光用于焊接。用這種雙激光束焊接方法可以實現各種幾何體的連接,并且不會降低原材料的強度和高溫性能,焊接時間僅需數分鐘。該方法可有效防止焊接過程中熱影響區裂紋的產生,適用于Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬的焊接,但對工裝夾具、配合精度及焊前準備工作要求較高,設備投資昂貴,運行成本較高,需要進一步提高其工藝重復性和可靠性。
    3) 電子束焊
    電子束焊是一種利用高能密度的電子束轟擊焊件使其局部加熱和熔化而焊接起來的方法。真空電子束焊是金屬陶瓷與金屬焊接的有效焊接方法,它具有許多優點,由于是在真空條件下,能防止空氣中的氧、氮等的污染;電子束經聚焦能形成很細小的直徑,可小到Φ0.1~1.0mm的范圍,其功率密度可提高到107~109W/cm2。因此電子束焊具有加熱面積小、焊縫熔寬小、熔深大、焊接熱影響區小等優點。但這種方法的缺點是設備復雜,對焊接工藝要求較嚴,生產成本較高。目前針對Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬的電子束焊接技術還處于實驗階段。
    2 釬焊
    釬焊是把材料加熱到適當的溫度,同時應用釬料而使材料產生結合的一種焊接方法。釬焊方法通常按熱源或加熱方法來分類。目前具有工業應用價值的釬焊方法有:(1)火焰釬焊;(2)爐中釬焊;(3)感應釬焊;(4)電阻釬焊;(5)浸漬釬焊;(6)紅外線釬焊。釬焊是Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬連接的一種主要焊接方法,釬焊接頭的質量主要取決于選用合適的釬料和釬焊工藝。李先芬等對Ti(C,N)基金屬陶瓷與45號鋼采用銅基、銀基釬料分別進行了火焰釬焊試驗和在氬氣保護爐中釬焊試驗?;鹧驸F焊條件下,以H62為釬料的接頭的平均剪切強度為37MPa,以BAg10CuZn為釬料的接頭的剪切強度達114MPa,以BCuZnMn為釬料的接頭的平均剪切強度49MPa;在氬氣保護爐焊條件下,以H62為釬料的接頭的平均剪切強度為37MPa,以Ag72Cu28為釬料的接頭的平均剪切強度為51MPa。通過觀察和分析釬焊接頭的結合情況及剪切試驗,表明Ti(C,N)基金屬陶瓷具有較好的釬焊性。但由于接頭界面處金屬陶瓷中存在殘余應力,導致剪切試驗時均斷在金屬陶瓷上,且釬焊接頭的剪切強度不高。張麗霞等采用AgCuZn釬料實現了TiC基金屬陶瓷與鑄鐵的釬焊連接。近年來還利用非晶技術研制成功了新的含鈦合金系,如Cu Ti、Ni Ti合金,可以直接用來釬焊陶瓷與金屬,其接頭的工作溫度比用銀銅釬料釬焊的要高得多。目前,金屬陶瓷釬焊需要解決如何降低或消除界面處金屬陶瓷中的殘余應力和提高接頭強度的問題。
    3 壓焊
    壓焊時基體金屬通常并不熔化,焊接溫度低于金屬的熔點,有的也加熱至熔化狀態,仍以固相結合而形成接頭,所以可以減少高溫對母材的有害影響,提高金屬陶瓷與金屬的焊接質量。
    1) 擴散焊
    擴散焊是壓焊的一種,它是指在相互接觸的表面,在高溫壓力的作用下,被連接表面相互靠近,局部發生塑性變形,經一定時間后結合層原子間相互擴散而形成整體的可靠連接過程。擴散焊包括沒有中間層的擴散焊和有中間層的擴散焊,有中間層的擴散焊是普遍采用的方法。使用中間層合金可以降低焊接溫度和壓力,降低焊接接頭中的總應力水平,從而改善接頭的強度性能。另外,為降低接頭應力,除采用多層中間層外,還可使用低模數的補償中間層,這種中間層是由纖維金屬所組成,實際上是一塊燒結的纖維金屬墊片,孔隙度最高可達90%,可有效降低金屬與陶瓷焊接時產生的應力。擴散焊的主要優點是連接強度高,尺寸容易控制,適合于連接異種材料。關德慧等對金屬陶瓷刀刃與40Cr刀體的高溫真空擴散焊接實驗表明,金屬陶瓷與40Cr焊接后,兩種材料焊合相當好,再對40Cr進行調質處理,界面具有相當高的強度,焊接界面的抗拉強度達650MPa,剪切強度達到550MPa。擴散焊主要的不足是擴散溫度高、時間長且在真空下連接、設備昂貴、成本高。近年來不斷開發出了一些新的擴散焊接方法,如高壓電場下的擴散焊,該方法借助于高壓電場(1000V以上)及溫度的共同作用,使陶瓷內電介質電離,在與金屬鄰近的陶瓷材料內形成了一薄層充滿負離子的極化區。此外,由于材料表面的顯微不平度,陶瓷與金屬間只有個別小點相接觸,大部分地區形成微米級的間隙。集結在微小間隙兩側的離子使這些地區的電場急劇升高,此外加電場可增加3~4個數量級。由于異性電荷相吸,使被連接的兩種材料相鄰界面達到緊密接觸(其間距小于原子間距),隨后借助于擴散作用,使金屬與陶瓷得以連接。
    2) 摩擦焊
    摩擦焊是在軸向壓力與扭矩作用下,利用焊接接觸端面之間的相對運動及塑性流動所產生的摩擦熱及塑性變形熱,使接觸面及其近區達到粘塑性狀態并產生適當的宏觀塑性變形,然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊廣泛用于同類和異種金屬的連接,對于不同類材料陶瓷與金屬連接的摩擦焊尚屬起步階段。
    3) 超聲波焊
    超聲波焊是通過超聲波振動和加壓實現常溫下金屬與陶瓷接合的一種有效方法。用此方法焊接鋁與各類陶瓷均獲得成功,而且接合時間僅需幾秒鐘。由于此方法的接合能是利用超聲波振動,結合面不需要進行表面處理,設備較簡單,縮短了焊接時間,其成本比釬焊法大幅度降低。該方法應用于金屬陶瓷與金屬的焊接還有待于進一步研究。
    4 中性原子束照射法
    中性原子束照射法利用中性原子束照射金屬與陶瓷的接合面,使接合面的原子"活化"。物質清潔的表面具有極佳的活性,然而物質表面往往沾有污物或覆蓋著一層極薄的氧化膜,使其活性降低。該方法主要是對接合面照射氬等惰性氣體的1000~1800eV的低能原子束,從表面除去20nm左右的薄層,使表面活化,然后加壓,利用表面優異的反應度進行常溫狀態下接合,此方法可用于氮化硅等高強度陶瓷與金屬的接合。
    5 自蔓延高溫合成焊接法
    自蔓延高溫合成(Self propagatingHigh temperatureSyn thesis,縮寫SHS)技術也稱為燃燒合成(CombustionSynthe sis,縮寫CS)技術,是由制造難熔化合物(碳化物、氮化物和硅化物)的方法發展而來的。在這種方法中,首先在陶瓷與金屬之間放置能夠燃燒并放出大量生成熱的固體粉末,然后用電弧或輻射將粉末局部點燃而開始反應,并由反應所放出的熱量自發地推動反應繼續向前發展,最終由反應所生成的產物將陶瓷與金屬牢固地連接在一起。該方法的顯著特點是能耗低,生產效率高,對母材的熱影響作用小,通過設計成分梯度變化的焊縫來連接異種材料,可以克服由于熱膨脹系數差異而造成的焊接殘余應力。但燃燒時可能產生氣相反應和有害雜質的侵入,從而使接頭產生氣孔和接頭強度降低。因此,連接最好在保護氣氛中進行,并對陶瓷與金屬的兩端加壓。日本的Miyamo to等首次利用SHS焊接技術,研究了金屬Mo與TiB2和TiC陶瓷的焊接,試驗利用Ti+B或Ti+C粉末作為反應原料,預壓成坯后加在兩個Mo片之間,利用石墨套通電發熱來引發反應,成功地獲得了界面結合完整的焊接接頭。何代華等采用燃燒合成技術成功地制取了TiB2陶瓷/金屬Fe試樣,且焊接界面結合良好,中間焊料層Fe的質量百分含量較高時,界面結合優于Fe質量百分含量低的界面結合情況。孫德超等以FGM焊料(功能梯度材料)成功實現了SiC陶瓷與GH 4146合金的SHS焊接。目前SHS機理研究尚未成熟,設備開發和應用投資頗大,所以SHS焊接尚未工程化。
    6 液相過渡焊接法
    液相過渡焊接(TransientLiquidPhase,縮寫TLP)是介于溶焊和壓焊之間的焊接方法。該技術綜合了釬焊技術和擴散連接技術的優點,可制備服役溫度不低于連接溫度的高溫接頭。TLP連接技術的工藝TLP焊接與釬焊操作步驟相似,均需在待連接母材表面間放入熔點低于母材的第三種材料(在TLP中常叫中間層 Interlayer,在釬焊中常叫釬料 Fillermetal);然后加熱、保溫。但兩者擴散的充分程度、凝固的方式和最終所得接頭的成分、組織的不連續程度都不同。與釬焊相比TLP焊接具有如下優點:①TLP接頭在等溫凝固完成后具有明顯不同于母材與填充金屬的成分,并在一定情況下分辨不出最終顯微組織中的填充金屬;②TLP接頭比一般硬釬焊接頭的強度高;③TLP接頭的重熔溫度高于釬焊接頭而耐高溫性能好。上述優點決定了它可用于先進材料的連接,在金屬陶瓷與金屬焊接技術中有著廣闊的應用前景。段輝平等采用Ti Cu和Ti Ni復合焊料,利用TLP連接技術成功地制備了無焊接缺陷的TiAl/IN718合金接頭。

    Ti(C,N)基金屬陶瓷是一種最有前途的高速切削刀具材料,它與金屬的焊接是Ti(C,N)基金屬陶瓷材料得以發展和應用的關鍵技術之一。金屬陶瓷與金屬之間焊接的關鍵問題是界面潤濕和緩解焊接殘余應力,一般可以通過選擇活性元素與金屬陶瓷發生界面反應來改變陶瓷的表面狀態從而提高兩者之間的潤濕性,緩解由于母材之間熱膨脹系數不匹配而產生的殘余熱應力的發展方向之一是通過SHS合成功能梯度材料(FGM)作為焊料,從而可以大大緩解金屬陶瓷與金屬之間焊接接頭的殘余熱應力。綜上所述,盡管適合于Ti(C,N)基金屬陶瓷與金屬焊接的方法有多種,但每種方法都有其自身的優缺點和局限性,如采用擴散焊焊接的接頭界面受限且易在接頭形成有害復合碳化物(η相);釬焊存在結合強度和使用溫度較低等問題;熔焊易產生脆性開裂且缺乏合適的焊接材料。有些方法還處于實驗研究階段,一時還難以實用化。在選擇焊接方法時,要從實際出發,即從金屬陶瓷與金屬復合構件的使用要求出發,確實保證連接質量及其穩定性,并力求降低生產成本。綜合考慮焊接及工藝等方面的因素,活性釬焊、擴散焊、部分瞬間液相連接、SHS焊接技術最有希望成為金屬陶瓷與金屬焊接工藝中重點開發的研究項目。金屬陶瓷與金屬的焊接是一個全新的領域,內容新穎而又異常豐富,今后隨著該種材料的廣泛應用和應用范圍的不斷擴大,其焊接技術方法和工藝的研究將成為國內外普遍關注而亟待解決的研究課題。

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